正交异性钢桥面板疲劳裂纹成因及对策论文

正交异性钢桥面板疲劳裂纹成因及对策【摘要】正交异性钢桥面板由于具有自重轻、极限承载力大、使用寿命长等优点，目前广泛应用于桥梁中。但由于其结构受力复杂且受焊接残余应力影响较大，在受集中荷载作用和焊接部位易发生疲劳裂纹。本文介绍了正交异性钢桥面板裂纹产生的原因以及在制造过程中针对疲劳裂纹采取的工艺措施。

【关键词】钢桥；桥面板；正交异性；疲劳裂纹

1 概述

正交异性钢桥面板具有自重轻、极限承载力大、使用寿命长等特点，目前广泛应用于跨径桥梁中。高速铁路钢桥正交异性钢桥面板桥面系由带有纵向加劲肋的桥面板单元、纵梁、横梁三个部分组成，如图1所示。桥面板单元与纵梁盖(腹)板、相邻桥面板连接在拼装场完成，横梁腹板、底板及桥面板与主桁连接在桥位完成。通常，面板与主桁间采用焊接，横梁腹板、底板与主桁以及纵向劲肋间接采用高强度螺栓连接。由于正交异性钢桥面板结构直接承受桥面活载作用，受力复杂，在集中荷载作用下会局部变形，产生疲劳裂纹。此外，钢桥面板构造复杂，焊缝数量多，施焊难度大，工厂制造和现场的组装精度和焊接质量（特别是某些焊缝的熔深、咬边和焊接缺陷）也是潜在的疲劳裂纹源，疲劳开裂将严重影响整个桥梁的安全。因此,高速铁路钢桥正交异性桥面板在制造过程中必须采取安全有效的措施来保证其质量。

2 正交异性板单元常见疲劳裂纹及成因

目前国内投入运营桥梁的正交异性板结构暴露出一些疲劳裂纹问题，主要表现部位和形式如下：

2.1 顶板与u肋焊缝处的纵向裂纹，严重的已经贯穿面板，如图2、图3所示。主要原因一是面板厚度较薄，造成桥面刚度较弱，在局部轮载直接作用下，u肋与面板连接处会产生裂纹；二是ｕ形肋与面板的焊缝质量较差，熔深达不到设计要求，焊缝有效喉厚不足，或者焊趾部位存在咬边等焊接缺陷，形成疲劳源，在活载的反复作用下产生裂纹。

2.2 u肋下端过焊孔处u肋与隔板间的裂纹，如图4所示，主要原因是端头围焊部位焊缝质量差，打磨不彻底，导致应力集中现象。

2.3 横梁腹板上ｕ肋穿过的开孔部位的裂缝，如见图5所示，主要是由于横梁腹板开孔切割面存在切割缺陷和尖角，应力集中明显；此外，横梁腹板开孔部位是刚度陡变部位，抗横梁腹板横向变形的吸能区范围小，易产生疲劳裂纹。

3 正交异性板单元常见疲劳裂纹对策

针对上述裂纹现象和产生原因，在制造过程中采取相应工艺措施如下：

3.1 增加面板的刚度，现行设计规范规定面板不应小于14 mm；

3.2 采取无码组装胎定位、压紧工艺、组拼工艺，控制ｕ形肋与面板的组装精度，确保组装间隙在0.5 mm以内，避免因间隙过大出现焊穿而造成不可修复的ｕ形肋内部焊缝缺陷；

3.3 制定定合理的焊接工艺，通常采用船位焊接方法

3.4 在焊接横梁腹板与u形肋的焊缝时，要选派优秀的焊工，尽可能避免在端头围焊的过程中出现冷接头，同时焊后要细致打磨，确保焊缝外观匀顺；

3.5 横梁腹板ｕ形肋穿过开口的非焊接边缘必须进行打磨，圆弧半径不小于r2，确保切割边缘无缺陷，去尖角，消除应力集中源。同时要将开口的尺寸进行调整，增大变形吸能区，如见图7所示；

图7 开口尺寸的改进

3.6 取消横梁腹板与u形肋与面板之间的过焊孔，如见图8所示。

图8 过焊孔的改进

4 结束语

正交异性板桥面制造，采用无码组装胎定位、压紧工艺，解决了u形肋组装间隙超差；反变形技术保证坡口角焊缝的熔透深度和成形要求，避免了焊缝偏心，焊缝成形差、咬边等缺陷；u形肋槽口的打磨和横梁腹板与u肋焊缝的焊接顺序和打磨要求，提供了抗疲劳性能。通过以上技术的应用，确保了正交异性板的组装精度和焊接质量，提高抗疲劳的能力，确保高速铁路钢桥的运营安全。